PFC电源设计与电感设计计算(二) — 常见PFC电路和特点(5) 2E

那我这地方呢是一个比较典型的

就是说带中点嵌位的一个三电平的方案

那这个呢就是我们常见的 Vienna 的 PFC

我们来看这个 Vienna PFC 的结构

他是这样的

就是说我们交流的在这

它把一个整流桥实际上放在这个地方了

这个相当于一个整流桥换向的

中间是一个开关

不管你正半边还是副半边

它都是高频工作

这个地方是快恢复二极管是吧

然后这个可以续留就是等于回过来

那它为什么三电平呢

它可以说正半周

它是往这儿工作上去

这个是高频高频工作

然后呢是给这个电容充电

负半周呢反过来可以给这个电容充电

所以说呢它可以实现

比如说我这个 400V

这也是 400V 800V 的升压

那么也就是说我 220 进去了之后

正半边工作是这个 400V

副半边是给下面 400V 工作

那具体电流倒来倒去

我不仔细介绍了

那大家仔细去倒

那么它的好处是什么呢

用一个开关管就可以实现这个

正负半边的换向

那么缺点是大家也看到了

里头有一大堆的二极管

你说你做了无桥的

其实它也是一个桥在这

所以说它的损耗肯定会比较大

那我们比较勉强啊讲它是无桥 PFC

我们可以讲它是有桥的

那个三电平的 PFC

那么讲到三电平的时候

后面我会讲它的好处是什么

现在我不讲了

那么这个电路呢

实际上我们在这个电路上做了一个改进

因为这个电路效率显然是低的

因为二极管压降肯定大

就是电流流过去

你看经过这么多二极管对吧

再转一圈通过

转一圈比如说从这上面转呢就从这回来了

这样就回来了

然后回到这个上面去

那么如果负边的呢等于是从

比如说给它

它就这边是正的时候他是这么流

电流通过这部分下来

然后再通过这个回来

再回到这个地方上去

所以说它是这么个转的

那么也就是不管怎么说

它每一个回路里面要串好几个二极管进去

那我们这个电路就少了

你看啊我把这个双向开关呢做到这个地方

正的比如说电流呢往这边走

负的反过来走

它也是三电平 对吧

你看如果是正极

那我这边一短路

这边短路了

那么这边假设输入是正向的

那么这个等于是这个电感的电流呢

通过这个短路是吧短路过去

然后这边就回到了这个电网

那么这实际上这个回路就是把一个电感

在这个电源上短路了嘛就充电了

然后把它一关闭的时候呢

它自然就往这续流

往这续流上去

这就是快恢复二极管的特点

这个这个二极管

那续流进去

那就实际上是给这个电容充电了 对不对

然后充电这个负载往这拉回来之后

那回到这又回到了这个电源上

所以在这个过程中正方向

它是上面这一部分在工作

那反过来也是一样

反过来呢我们这个是负的

这是正的

那么实际上是通过这往这个转下来

就是他还是短路

它一短路

这个是正的正的是在这

他一短路是从这儿流过来

还是给这个电感充电

还是这个回路就是只是方向反过来走了

是这意思吧

那么我再把这么流的呢把这个管子一关闭

这个关闭呢这个电感的电流必须续流

它从上面是续不下来的

它强迫把这个二极管导通了

这个二极管导通

所以说给他续留那它电流怎么流呢

它是这边流出去

然后通过这个负载或者电容往这边流回来

关闭的时候就往这儿流了

所以说副半边的时候呢

这是一个高频的二极管

这个是一直是截止的

就是通过这个开关开关这个是高频二极管

就是他副半边在跑

实际上它是正半边副半边这么做

就是它这边是升压 400V

这边上也是 400V

相当于这个意思

所以说那么这样跑的时候

你会发现整个回路里面只有一个二极管

所以它就可以把它理解成无桥了

当然呢其实这个二极管我们也可以

用一个场效应管或者 IGBT 来替代

可以做的完全短路掉

那么这个是真正的无桥了

所以说这个呢

是我们现在目前用得非常普遍的

一个类似于这个维也纳结构的改进型

实际上是这么个意思

那这个效率就会明显高很多

当然如果你把二极管换成场效应管

那就有一个要注意

或者二极管换成 IGBT 就有这个问题

就是这个里头的寄生的这个寄生的二极管

它实际上快恢复特性特别差

所以说你如果让他有个大电流往上跑

那么这个时候再突然反过来的时候

那个快恢复电流就非常厉害

管子发得非常厉害 损耗很大

所以说如果在这种情况

往往我们希望它在反向的时候

之前这个电流已经是没有了

做成这样的控制

如果能做到这一点

那这个换成这个场效应管

或 IGBT 就非常棒

那么这个跟我们电路的控制模式

比如说我把它改成不连续模式等等

那么或者是说这地方谐振了

那就是会非常的有高效

而且EMI也非常的好

这是后续的问题

后续我们继续介绍

那么这地方呢我们去讲就是说

全单相电路和三相 PFC 是吧

上面呢我们这一系列刚才讲的全是单向的

就是说单相单路的整流的那个 PFC

那么这个是维也纳的单向的单路

而且呢是那个三电平的结构

那么这个呢也是三电平的结构

那么我们讲到三电平

有一点我要介绍一下的是什么呢

为什么我们大家采用三电平

那电路复杂了那么多

为什么在这个基础上要改三电平

其实三电平有个非常大的好处

就是在大功率应用的时候降低成本

为什么这么讲呢

就是我们大功率的时候

这个电感电流就非常大

要控制一个比较小的纹波呢

那个电感量又很大

所以说呢这个时候这个电感就非常的庞大

尺寸非常大非常贵非常昂贵

所以电感呢往往在我们 PFC 里面

占据一个非常重要的成本

那么有没有办法把这个电感

做的比较小一点 非常的小

而且还能达到纹波很小

那这就是我们引入一个三电平的概念

就是不用交错并联也可以用三电平的概念

就是不用交错并联也可以用三电平的概念

那么我们这么看

如果我这个总线呢一定是要 800V 的

就是高压的

我后面的逆变器可能需要 800V

那么我如果用单路的把它直接升到 800V

那这个电感量会非常的大 功率也大

因为这个压差非常狠

所以说呢这个电感就非常大

那我做到 800V 的时候

我用这种方式呢实际上

是相当于我们正常单向的 400V 的升压

这半边也是 400V

那半边也是 400V

也就是我这个电感上承受的反向电压的时候

这个电压也是 400V

那么我 800V 的输出我只加了 400V

是不是只加了一半

那这个地方 800V 的输出呢

800V 都加在这上面那就是一倍

所以说加了一半的时候

我要达到同样的输入纹波

是不是电感量可以小一半了

就这个概念

也就是说电感量比这个电路要小一半

所以说我电感量会小很多

就是说这尺寸会小很多

实际上我们就是要用它的这个特点

也就是说我一定要把它升压成 800V 的时候

我用这个电路的话

这个电感量是巨大

用这个呢小一半了 体积就非常小

所以这是它的好处

那么我们尤其做三相的输入的时候

底下这个三相输入的时候

这个地方一个三相全桥对不对

实际上是三相整流桥

那我整流桥导通的时候

我把它变成了这个 IGBT 短路就好了

不导通的时候我就把它关掉

就相当于一个全桥整流

实际上是这个意思

但是我如果说在整流的过程中

我让另外一半开关高频的一会短路

一会开路一会短路一会开路

就是让它储能 然后反向续流

那么就形成了一个 PFC 的机制

一个升压机制

所以这是一个比较传统的

三相全桥的 PFC

我们把这个结构引入到这里头

那就变成了

真正的三相的维也纳结构的 PFC

但只不过是管子特别多

但是好在哪呢

这个功率管子只有三个

驱动起来比较简单。

那么这个呢就是为了进一步提高效率

把它换成了这个这种结构

那效率就会很高

其实表面上看上去呢

这个开关管多了一倍

跟他多了一倍

好像是很复杂

其实呢我们知道这两个管子

是这个通这个就关

它是正反向驱动的

所以这比如说 turn on 的时候

这是 turn off

所以他他加一点小死区就好了

那么这样的话呢

实际上我们驱动信号

拿一个信号驱动它就是可以的

那一个信号的话

其实跟这个是一样的

所以从我们那个驱动的控制角度来讲

其实呢并没有复杂

就是你这个是多复杂

它就是多复杂

它多复杂它也是多复杂

都差不多的 是这样子

只要把这个导通弄清楚了

那么这个电路上并不是复杂到哪里去

其实还是三路驱动

实际上是这个意思

那么这个用法呢现在非常的普遍

效率也非常高 很多充电桩

比如 15kW 模块

很多是这种方式非常的多的

那这方式效率就低得多

而这个方式呢

往往我们可以用比较低的频率

为什么比较低的频率呢

比如说我升压的时候

我如果用这种方式

它是两电平的

为什么呢这是 800V

所以这个电感呢加上去呢

会达到 800V 都加到这个电感上去

那这个方式呢

它就是 400V 400V 加上去的

所以说它就会比较

电感量就会比这种方式要低得多

那既然电感量低的多

我不让它低的太多

我把频率降下来是吧

那频率一降下来

我就可以用 IGBT 做管子

那么比如做 40k 的频率

或者 30k 的频率

那我 IGBT 驱动做的时候

实际上这个这个电感量并不是特别大

那么这样的话呢

这种结构呢就变得非常的又便宜又效率高

而且成本就是尺寸又不是很大

所以这个呢比较广泛得到应用

这个大功率的应用三相的

比如说充电桩里面就比较大的

大功率用的时候会有这样的方式

所以说我刚才讲的三电平和这种

和这种电路啊和这种三相电路的结合

这个是这样的 非常普遍

那么我们第一部分呢就讲到这儿为止

谢谢大家的收看

那我这地方呢是一个比较典型的

就是说带中点嵌位的一个三电平的方案

那这个呢就是我们常见的 Vienna 的 PFC

我们来看这个 Vienna PFC 的结构

他是这样的

就是说我们交流的在这

它把一个整流桥实际上放在这个地方了

这个相当于一个整流桥换向的

中间是一个开关

不管你正半边还是副半边

它都是高频工作

这个地方是快恢复二极管是吧

然后这个可以续留就是等于回过来

那它为什么三电平呢

它可以说正半周

它是往这儿工作上去

这个是高频高频工作

然后呢是给这个电容充电

负半周呢反过来可以给这个电容充电

所以说呢它可以实现

比如说我这个 400V

这也是 400V 800V 的升压

那么也就是说我 220 进去了之后

正半边工作是这个 400V

副半边是给下面 400V 工作

那具体电流倒来倒去

我不仔细介绍了

那大家仔细去倒

那么它的好处是什么呢

用一个开关管就可以实现这个

正负半边的换向

那么缺点是大家也看到了

里头有一大堆的二极管

你说你做了无桥的

其实它也是一个桥在这

所以说它的损耗肯定会比较大

那我们比较勉强啊讲它是无桥 PFC

我们可以讲它是有桥的

那个三电平的 PFC

那么讲到三电平的时候

后面我会讲它的好处是什么

现在我不讲了

那么这个电路呢

实际上我们在这个电路上做了一个改进

因为这个电路效率显然是低的

因为二极管压降肯定大

就是电流流过去

你看经过这么多二极管对吧

再转一圈通过

转一圈比如说从这上面转呢就从这回来了

这样就回来了

然后回到这个上面去

那么如果负边的呢等于是从

比如说给它

它就这边是正的时候他是这么流

电流通过这部分下来

然后再通过这个回来

再回到这个地方上去

所以说它是这么个转的

那么也就是不管怎么说

它每一个回路里面要串好几个二极管进去

那我们这个电路就少了

你看啊我把这个双向开关呢做到这个地方

正的比如说电流呢往这边走

负的反过来走

它也是三电平 对吧

你看如果是正极

那我这边一短路

这边短路了

那么这边假设输入是正向的

那么这个等于是这个电感的电流呢

通过这个短路是吧短路过去

然后这边就回到了这个电网

那么这实际上这个回路就是把一个电感

在这个电源上短路了嘛就充电了

然后把它一关闭的时候呢

它自然就往这续流

往这续流上去

这就是快恢复二极管的特点

这个这个二极管

那续流进去

那就实际上是给这个电容充电了 对不对

然后充电这个负载往这拉回来之后

那回到这又回到了这个电源上

所以在这个过程中正方向

它是上面这一部分在工作

那反过来也是一样

反过来呢我们这个是负的

这是正的

那么实际上是通过这往这个转下来

就是他还是短路

它一短路

这个是正的正的是在这

他一短路是从这儿流过来

还是给这个电感充电

还是这个回路就是只是方向反过来走了

是这意思吧

那么我再把这么流的呢把这个管子一关闭

这个关闭呢这个电感的电流必须续流

它从上面是续不下来的

它强迫把这个二极管导通了

这个二极管导通

所以说给他续留那它电流怎么流呢

它是这边流出去

然后通过这个负载或者电容往这边流回来

关闭的时候就往这儿流了

所以说副半边的时候呢

这是一个高频的二极管

这个是一直是截止的

就是通过这个开关开关这个是高频二极管

就是他副半边在跑

实际上它是正半边副半边这么做

就是它这边是升压 400V

这边上也是 400V

相当于这个意思

所以说那么这样跑的时候

你会发现整个回路里面只有一个二极管

所以它就可以把它理解成无桥了

当然呢其实这个二极管我们也可以

用一个场效应管或者 IGBT 来替代

可以做的完全短路掉

那么这个是真正的无桥了

所以说这个呢

是我们现在目前用得非常普遍的

一个类似于这个维也纳结构的改进型

实际上是这么个意思

那这个效率就会明显高很多

当然如果你把二极管换成场效应管

那就有一个要注意

或者二极管换成 IGBT 就有这个问题

就是这个里头的寄生的这个寄生的二极管

它实际上快恢复特性特别差

所以说你如果让他有个大电流往上跑

那么这个时候再突然反过来的时候

那个快恢复电流就非常厉害

管子发得非常厉害 损耗很大

所以说如果在这种情况

往往我们希望它在反向的时候

之前这个电流已经是没有了

做成这样的控制

如果能做到这一点

那这个换成这个场效应管

或 IGBT 就非常棒

那么这个跟我们电路的控制模式

比如说我把它改成不连续模式等等

那么或者是说这地方谐振了

那就是会非常的有高效

而且EMI也非常的好

这是后续的问题

后续我们继续介绍

那么这地方呢我们去讲就是说

全单相电路和三相 PFC 是吧

上面呢我们这一系列刚才讲的全是单向的

就是说单相单路的整流的那个 PFC

那么这个是维也纳的单向的单路

而且呢是那个三电平的结构

那么这个呢也是三电平的结构

那么我们讲到三电平

有一点我要介绍一下的是什么呢

为什么我们大家采用三电平

那电路复杂了那么多

为什么在这个基础上要改三电平

其实三电平有个非常大的好处

就是在大功率应用的时候降低成本

为什么这么讲呢

就是我们大功率的时候

这个电感电流就非常大

要控制一个比较小的纹波呢

那个电感量又很大

所以说呢这个时候这个电感就非常的庞大

尺寸非常大非常贵非常昂贵

所以电感呢往往在我们 PFC 里面

占据一个非常重要的成本

那么有没有办法把这个电感

做的比较小一点 非常的小

而且还能达到纹波很小

那这就是我们引入一个三电平的概念

就是不用交错并联也可以用三电平的概念

就是不用交错并联也可以用三电平的概念

那么我们这么看

如果我这个总线呢一定是要 800V 的

就是高压的

我后面的逆变器可能需要 800V

那么我如果用单路的把它直接升到 800V

那这个电感量会非常的大 功率也大

因为这个压差非常狠

所以说呢这个电感就非常大

那我做到 800V 的时候

我用这种方式呢实际上

是相当于我们正常单向的 400V 的升压

这半边也是 400V

那半边也是 400V

也就是我这个电感上承受的反向电压的时候

这个电压也是 400V

那么我 800V 的输出我只加了 400V

是不是只加了一半

那这个地方 800V 的输出呢

800V 都加在这上面那就是一倍

所以说加了一半的时候

我要达到同样的输入纹波

是不是电感量可以小一半了

就这个概念

也就是说电感量比这个电路要小一半

所以说我电感量会小很多

就是说这尺寸会小很多

实际上我们就是要用它的这个特点

也就是说我一定要把它升压成 800V 的时候

我用这个电路的话

这个电感量是巨大

用这个呢小一半了 体积就非常小

所以这是它的好处

那么我们尤其做三相的输入的时候

底下这个三相输入的时候

这个地方一个三相全桥对不对

实际上是三相整流桥

那我整流桥导通的时候

我把它变成了这个 IGBT 短路就好了

不导通的时候我就把它关掉

就相当于一个全桥整流

实际上是这个意思

但是我如果说在整流的过程中

我让另外一半开关高频的一会短路

一会开路一会短路一会开路

就是让它储能 然后反向续流

那么就形成了一个 PFC 的机制

一个升压机制

所以这是一个比较传统的

三相全桥的 PFC

我们把这个结构引入到这里头

那就变成了

真正的三相的维也纳结构的 PFC

但只不过是管子特别多

但是好在哪呢

这个功率管子只有三个

驱动起来比较简单。

那么这个呢就是为了进一步提高效率

把它换成了这个这种结构

那效率就会很高

其实表面上看上去呢

这个开关管多了一倍

跟他多了一倍

好像是很复杂

其实呢我们知道这两个管子

是这个通这个就关

它是正反向驱动的

所以这比如说 turn on 的时候

这是 turn off

所以他他加一点小死区就好了

那么这样的话呢

实际上我们驱动信号

拿一个信号驱动它就是可以的

那一个信号的话

其实跟这个是一样的

所以从我们那个驱动的控制角度来讲

其实呢并没有复杂

就是你这个是多复杂

它就是多复杂

它多复杂它也是多复杂

都差不多的 是这样子

只要把这个导通弄清楚了

那么这个电路上并不是复杂到哪里去

其实还是三路驱动

实际上是这个意思

那么这个用法呢现在非常的普遍

效率也非常高 很多充电桩

比如 15kW 模块

很多是这种方式非常的多的

那这方式效率就低得多

而这个方式呢

往往我们可以用比较低的频率

为什么比较低的频率呢

比如说我升压的时候

我如果用这种方式

它是两电平的

为什么呢这是 800V

所以这个电感呢加上去呢

会达到 800V 都加到这个电感上去

那这个方式呢

它就是 400V 400V 加上去的

所以说它就会比较

电感量就会比这种方式要低得多

那既然电感量低的多

我不让它低的太多

我把频率降下来是吧

那频率一降下来

我就可以用 IGBT 做管子

那么比如做 40k 的频率

或者 30k 的频率

那我 IGBT 驱动做的时候

实际上这个这个电感量并不是特别大

那么这样的话呢

这种结构呢就变得非常的又便宜又效率高

而且成本就是尺寸又不是很大

所以这个呢比较广泛得到应用

这个大功率的应用三相的

比如说充电桩里面就比较大的

大功率用的时候会有这样的方式

所以说我刚才讲的三电平和这种

和这种电路啊和这种三相电路的结合

这个是这样的 非常普遍

那么我们第一部分呢就讲到这儿为止

谢谢大家的收看